Referate und Klassenarbeiten für Schüler

Suche:

 

  Home / Referate / Chemie / Stahlherstellung

 
 

Referat - Stahlherstellung

Thema: Stahlherstellung
Inhalt: Herstellung, Sorten und Eigenschaften von Stahl.
 
Download:

als PDF-Datei (61 kb)

als Word-Datei (52 kb)

Vom Roheisen zum Stahl

Das im Hochofenprozess entstandene Roheisen ist als Werkstoff leider kaum zu gebrauchen. Es enthlt verschiedene Verunreinigungen. Diese sind die Elemente Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Phosphor, Schwefel u.a., wobei Kohlenstoff mit 3-5% anteilsmig wesentlich mehr enthalten ist als die anderen unerwnschten Begleitelementen. Kohlenstoff und die anderen Verunreinigungen bewirken, dass das Roheisen sprde (brchig) wird und sich schlecht schmieden (verformen) lsst, aber auch, dass es schneller schmilzt als reines Eisen.
 
 
Weiterverarbeitung
 
Das flssige Roheisen aus dem Hochofen wird je nach der Art, in der Kohlenstoff in ihm gebunden ist, in graues und weies Roheisen unterteilt. Graues Roheisen wird nach dem Einschmelzen von Schrotteilen in Formen gegossen und heit dann Gusseisen. Gegenstnde aus Gusseisen sind z.B. Kanaldeckel, Heizkrper, fen, Rohre, Motorblcke und Maschinenteile. Gegenstnde aus Gusseisen sind aber sprde und nicht sehr temperaturbestndig. Ihr Vorteil ist, dass sie kaum rosten. Weies Roheisen hingegen wird zu Stahl weiterverarbeitet.

 
 
Stahl

 
Die Vorteile des Stahls liegen in seiner guten Verformbarkeit und seiner Hitzebestndigkeit. Stahl wird aus Roheisen hergestellt, in dem man den Kohlenstoffgehalt unter etwa 1,7% senkt und die anderen verunreinigenden Elemente weitgehend entfernt. Stahl wird aus diesem Grund auch "veredeltes Eisen" genannt. Dem Stahl kann man noch Elemente beimengen, so dass je nach Art und Menge der Elemente Stahllegierungen mit speziellen Eigenschaften entstehen.

 
 
Verfahren zur Stahlherstellung
 
Der Vorgang, bei dem der Gehalt an Kohlenstoff und anderem Elementen im Roheisen gesenkt wird, wird als Frischen bezeichnet, was nichts anderes bedeutet, als dass die unerwnschten Begleitelemente oxidiert werden. Relativ unbedeutende Frischverfahren sind das Bessemer-Verfahren und das Thomas-Verfahren, bei denen die Oxidation durch Luft vonstatten geht.
 
Technisch weit verbreitet ist aber das sogenannte LD-Verfahren. Seinen Namen erhielt es nach den sterreichischen Stahlwerken in Linz und Donawitz. Bei diesem Verfahren wird das flssige Roheisen aus dem Hochofen in einen groen, schwenkbaren Behlter gefllt. Dieser Behlter heit Konverter und fasst ungefhr 300t flssiges Roheisen. Zustzlich wird noch Eisenschrott in ihn gegeben. Der Eisenschrott wird zur Khlung des Konverters bentigt. Denn die Reaktion, die zur Umwandlung von Roheisen in Stahl fhrt, ist exotherm, so dass die Temperatur der Schmelze im Konverter trotz Zugabe von Metallschrott von etwa 1250C auf etwa 1600C ansteigt.
 
Am Anfang der Reaktion steht eine wassergekhlte Lanze, die in die Schmelze des Konverters gehalten wird. Durch diese Lanze wird reiner Sauerstoff mit einem Druck von etwa 10bar geblasen. Der Sauerstoff oxidiert die Begleitelemente und die entstehenden gasfrmigen Oxide (die Gase Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Schwefeldioxid) entweichen durch die Konverterffnung in den Abgaskamin oder lagern sich an der Oberflche der Schmelze ab (alle festen/flssigen Oxide), wo sie zusammen mit vorher zugegebenem Kalkstein die sogen. Schlacke bilden. Nach etwa einer halben Stunde ist der Gehalt an Fremdelementen in der Schmelze stark gesenkt. Die Schlacke und die Stahlschmelze werden getrennt voneinander abgestochen, d.h. aus dem Konverter in einen Transportkbel gegossen. Dann folgt der Prozess der Rckkopplung, bei der man noch etwas kohlenstoffhaltiges Eisen hinzu gibt, um den Kohlenstoffgehalt des Stahls zu regulieren, den dieser darf nicht zu klein werden.
 
Das zweite wichtige Stahlherstellungsverfahren ist das Elektrostahlverfahren. In einem Elektroofen wird das Roheisen auf Temperaturen um 3000C gebracht. Dies erreicht man durch anlegen einer Spannung zwischen zwei Graphitelektroden, zwischen denen sich dann ein sogenannter Lichtbogen bilden. Auer dem Roheisen wird Schrott zugegeben, dessen Sauerstoffanteil die Begleitelemente oxidiert. Dann setzt man Legierungsmetalle in bestimmten Mengen direkt hinzu, so dass eine Stahllegierung entsteht. Sthle, die im Elektroofen erzeugt wurden, heien Elektrosthle und sind besonders hochwertig.
 
 
Stahlsorten

 
Bei den Stahlsorten lassen sich zwei groe Gruppen unterscheiden, die Kohlenstoffsthle und die Edelsthle. In beiden Fllen handelt es sich um kohlenstoffhaltiges Eisen, aber Edelsthle enthalten noch zustzlich noch andere Metalle.
 
Kohlenstoffsthle sind nichtlegierte Stahlsorten, die ber 80% des weltweit erzeugten Stahls ausmachen. Es gibt viele Kohlenstoffsthle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt. Sthle mit einem Gehalt von weniger als 0,25% Kohlenstoff sind leicht verformbar und werden zur Herstellung von Blechen, Konservendosen, Autokarosserien, Drhten und Ngeln verwendet. Liegt der Kohlenstoffgehalt zwischen 0,25% und 0,7% wird der Stahl hrter und lsst sich weniger leicht verformen. Daher wird dieser Kohlenstoffstahl fr Eisenbahnschienen, im Maschinenbau, sowie im Stahlbau hauptschlich verwendet. Die hchste Kohlenstoffkonzentration im Stahl betrgt 0,7% bis 1,5% - der Stahl ist somit sehr hart und kaum verformbar. Seine Verwendung findet Anwendung in der Chirurgie (Chirurgische Instrumente), in der Werkzeugherstellung, sowie als Rasierklingen und Stahlfedern.

 
 
Eigenschaften

 
Die grundlegenden mechanischen Eigenschaften aller Sthle sind die Verformbarkeit und die Zugfestigkeit. Beide Eigenschaften hngen vom Kohlenstoffgehalt des Stahles ab. Es ist aber unmglich, beide Eigenschaften gleichzeitig in einer Stahlsorte zu optimieren.
 
Bei niedrigem Kohlenstoffgehalt sind die Sthle leicht verformbar und haben eine geringe Zugfestigkeit.
 
Bei hohem Kohlenstoffgehalt aber herrschen eine hohe Zugfestigkeit und eine schwere Verformbarkeit vor.

 
 
Unterschiede Zwischen Stahl und Gusseisen

 

Stahl

Gueisen

Kohlenstoffgehalt in %

0,5 bis 1,7

3,2 bis 3,6

Eigenschaften

plastisch verformbar
zugfest
schmiedbar
schweibar

Formgebung durch Gieen
geringe Bruch- und Schlagfestigkeit
hart aber sprde

Verwendung

Maschinenteilherstellung
Federherstellung
Autoblechherstellung
Baustahlherstellung

Herstellung von
Kanaldeckeln
Heizkrpern
fen
Rhren
Motorblcken
Maschinenteilen

 
Einige Legierungen

 Name

Zusammensetzung

Eigenschaften

Verwendung

V2A-Stahl

Fe, bis zu 18% Cr,

bis zu 14 % Ni

korossionsfest

surebestndig

sehr hart

Werkzeuge

Fahrzeugbau

Invar-Stahl

65% Fe, ca. 35% Ni

geringe Wrmeausdehnung

Przisionsmessinstrumente

Messing

60-70% Cu, 30-40 Zn

korossionsbestndig

Maschinenbau

Armaturen

Glockenbronze

80% Cu, 20% Sn

sehr hart

stofest

Glockenguss

Dural

Al, bis zu 5% Cu

(+ Mn, Mg, Si)

korossionsfest

Flugzeug- und Fahrzeugbau

Neusilber

73-80% Cu, 15-20% Ni, bis zu 7% Zn

korossionsfest

Bestecke, feinmechanische Gerte

Schnellarbeitssthle

Fe, 4% Cr, 15% W, 2% V

bei Rotglut hart

Werkzeuge

 
kologische Aspekte der Stahlherstellung

 
Vor dem Hintergrund von Klimavernderungen durch C02 -Emissionen bedarf es in der Stahlindustrie, die wegen der Koksmetallurgie ein Hauptverwerter fossiler Brennstoffe ist, einer stndigen Kontrolle nicht nur der Prozesswirtschaftlichkeit, sondern auch der Umweltvertrglichkeit und des Energieverbrauchs der eingesetzten Technologien. Dies gilt fr bestehende Anlagen ebenso wie fr den Aufbau neuer Kapazitten - und zwar global, da (teurer) Umweltschutz nicht durch Standortverlagerung aufgrund laxerer Gesetzgebung in Entwicklungslndern umgangen werden darf.
 
Prinzipiell bieten sich zwei Anstze fr Stahlerzeuger an: Optimierung der Kreislaufwirtschaft und prventive Abfallwirtschaft durch produktionsintegrierten Umweltschutz.
 
Die Kreislaufwirtschaft des klassischen Integrierten Httenwerkes, das aus Erz und Koks Stahl ber die klassische Route - Hochofen, Stahl- und Walzwerk - erzeugt, wurde seit dem Beginn der Industrialisierung stndig optimiert. Die bedeutendsten Meilensteine der Nachkriegszeit sind die Entwicklung des Sauerstoff Aufblas-Verfahrens ("LD-Verfahrens") zur Stahlerzeugung und die Einfhrung des Stranggieverfahrens. Letzteres lste den Blockguss ab und ermglichte eine Einsparung von weltweit etwa 100 Millionen t Eigenschrott. Trotzdem steigt das Schrottangebot, aber ein Integriertes Httenwerk kann da nur begrenzt nachkommen, da im Sauerstoff Aufblas-Verfahren nur etwa ein Viertel der Rohstahlmenge durch Schrott bereitgestellt werden kann. Im Elektrostahlwerk knnen hingegen bis 100 Prozent Schrott verarbeitet werden. Obwohl diese Art der Stahlerzeugung nur etwa halb so viel Energie wie das LD-Stahlwerk bentigt, exportiert die rohstoffarme Bundesrepublik Deutschland jhrlich rund 8 Millionen t Stahlschrott.
 
Der Export des Rohstoffes "Schrott" soll in Zukunft zu Gunsten einer umweltorientierten Kreislaufwirtschaft reduziert werden. Die (noch) geringen Elektrostahlkapazitten in Deutschland werden derzeit durch Neubauten in Unterwellenborn, Peine und Georgsmarienhtte erweitert.
 
Durch konsequente Stoffflussoptimierung und Restwrmeausnutzung ist die Stahlerzeugung auf Erzbasis im Integrierten Httenwerk bezglich ihrer Schadstoffbelastung fr Boden, Luft und Wasser nicht mehr wesentlich zu verbessern. Der Energieverbrauch bei der Stahlherstellung wird hauptschlich durch das mehrmalige Wiedererwrmen auf dem Weg von Kokerei bis Warmwalzwerk bestimmt.
 
Dem Produktionsintegrierten Umweltschutz kann durch intelligente Anwendung und innovative Erzeugung von Stahl nachgekommen werden. Beispielsweise birgt die Entwicklung hochfester
 
Stahlsorten mit Hilfe moderner Sthle und Konstruktionsmethoden ein erhebliches Energieeinsparungspotential bei der Verwendung als Karosseriewerkstoff. Durch eine optimierte thermomechanische Behandlung lassen sich bereits im Herstellungsprozess, bei der Verarbeitung und Nutzung sowie durch die bestens eingefhrte Wiederverwertung bilanzielle Vorteile von Stahl als Karosseriewerkstoff ableiten.

Weiteres Referat über Stahl


Bilder Thema: Stahlherstellung
Fach: Chemie
  Klick auf das jeweilige Bild --> volle Bildgröße

     
 

Home | Impressum | Links

Copyright © 2017 klassenarbeiten.de